с прямой Фаулера−Нордгейма. При увеличении U кривая начинает отклоняться вниз и, наконец, асимптотически приближается к кривой Богуславского−Ленгмюра.

Рис 11.7. Теоретическая зависимость плотности тока автоэмиссии от приложенного напряжения.

§ 12. Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ)

12.1 Феноменология ВЭЭ

Электрический разряд в вакууме состоит из трех стадий: пробой, искра и дуга. Вакуумный пробой является одним из способов возбуждения вакуумной дуги. Но прежде, чем дуга наступает, разряд переходит еще в искровую фазу. Вакуумная дуга является наиболее загадочной фазой вакуумного разряда. Для нее характерно низкое напряжение горения разряда, сравнимое с ионизационным потенциалом атомов материала катода, большая плотность тока в области катодной привязки, высокая концентрация плазмы в прикатодной области, испускание высокоскоростных плазменных струй из катодного пятна, а также капель жидкого металла, образование субструктуры в катодном пятне, которая выражается в мелких (~10−4 мкм) кратерах внутри значительно больших и т.д.

Убедительного теоретического описания вакуумного разряда, которое бы объясняло все экспериментальные результаты, в настоящее время нет. Наиболее последовательной и конструктивной является эктонная модель катодного пятна вакуумного разряда [12,13]. В ней впервые описание всех трех стадий разряда в вакууме (пробой, искра и дуга) даны с единых физических позиций. Показано, как эти стадии совершенно естественным образом переходят одна в другую, завершаясь вакуумной дугой. Эти позиции основываются на признании фундаментальной роли микро-

74

взрывов участков катода, которые приводят к взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ). Так как взрывной процесс длится сравнительно коротко, то испускание электронов в течение ВЭЭ идет отдельными порциями, которые называются эктонами (от первых букв слов Explosive Centre). Появление каждого эктона сопровождается разрушением участка поверхности катода, который затем превращается в кратер, появлением жидкого металла в виде струй и капель, струй плазмы и т.д. Сюда следует добавить еще один важный физический эффект − это разогрев анода пучком электронов в искровой стадии и появление анодной плазмы и перенос жидкого металла с анода на катод. Одной из главных причин возникновения микровзрывов является джоулев разогрев микроучастков катода током большой плотности. Все эти процессы составляют основы эктонной концепции вакуумного разряда. В рамках этого механизма все три стадии вакуумного разряда находят свое естественное физическое объяснение. Пробой и процессы, которые называют предвзрывными − это процесс концентрирования энергии в микрообъеме поверхности катода. Как только удельная энергия, накопленная в этом микрообъеме, будет превосходить некоторую предельную величину, то начинается взрыв и стадия пробоя завершается. Начало взрыва и появление ВЭЭ − это начало искровой стадии. Сама искровая стадия сопровождается постоянным возобновлением микровзрывов, которые инициируются плазмой и струями жидкого металла от предыдущих микровзрывов. Искровая стадия естественным образом переходит в дуговую после перемыкания катодной и анодной плазмы и уменьшения скорости роста тока.

При приложении к вакуумному промежутку напряжения между электродами появляется заметный ток, получивший название темнового или предпробойного тока. В большинстве исследований вакуумного пробоя одной из обязательных процедур являлось изучение закономерностей предпробойных токов. Длительное время велась дискуссия об их природе, поскольку построение одних и тех же экспериментальных зависимостей предпробойного тока i от напряженности электрического поля на катоде Е в координатах уравнений Ричардсона−Шоттки (lg i = f(E1/2)) и Фаулера−Нордгейма (lg (i/Е2) = f(1/E) зачастую давало прямые линии. Можно утверждать, что такая двойственная ситуация была обусловлена недостаточной чистотой вакуумных условий и объективными трудностями контроля таких важных параметров, как микрогеометрия поверхности катода, свойства поверхностных слоев металла, состав адсорбированных газов и др. К настоящему времени благодаря успехам вакуумной техники и техники исследования поверхности удалось составить более законченное представление о закономерностях предпробойных токов и их природе. Установлено, что предпробойный ток в условиях тщательно очищенных электродов в сверхвысоком вакууме обусловлен только электронной компонентой. Доля ионной компоненты растет по мере увеличения загрязненности обоих электродов. В чистых условиях предпробойный ток экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения и не зависит от температуры катода, что однозначно определяет его как ток автоэлектронной эмиссии. Центрами эмиссии являются микроострия на поверхности катода.

75

12.2 Импульсный пробой при острийном катоде

Автоэлектронная эмиссия играет решающую роль в возникновении пробоя между электродами в вакууме. В связи с этим большой интерес представляет анализ экспериментальных данных, посвященных исследованиям электрического пробоя в вакууме, когда катод − классический острийный автоэлектронный эмиттер. Поскольку эмиттирующей частью такого катода обычно является поверхность одного микрокристалла, которую можно поддерживать атомарно чистой, то возникает ряд принципиально важных обстоятельств, облегчающих изучение физики развития пробоя. Первыми, кто воспользовался этими преимуществами в сочетании с техникой сверхвысокого вакуума, импульсной методикой и автоэмиссионной микроскопией, были Дайк и его сотрудники. Ими было установлено, что переходу к пробою предшествуют два характерных процесса. Первый из них − самопроизвольный рост эмиссионного тока в течение импульса напряжения. При постепенном увеличении амплитуды напряжения прямоугольные импульсы автоэлектронного тока деформировались в нарастающие. Это явление можно было воспроизводить многократно в одном опыте. Но стоило повысить напряжение еще примерно на 1%, как неминуемо происходил пробой, при этом ток возрастал более чем на два порядка (до 50−100 А) за время, которое было оценено как 5 10-8 с. Другое характерное явление − возникновение яркого кольца, окружающего обычное эмиссионное изображение поверхности острия чистого вольфрама. Для всех исследованных острий, имевших разные радиусы вершины и различную конусность, с большой точностью выполнялось одинаковое условие: пробой наступал при достижении плотности автоэмиссионного тока в пределах jпр = (4−7) 107 А/см2, что соответствовало напряженности электрического поля на вершине эмиттера Е = (6.5−7) 107 В/см. Следствием пробоя было оплавление вершины эмиттера, приводящее к увеличению его радиуса почти на два порядка.

Авторы убедительно показали, что возникновение пробоя в этом случае не связано с бомбардировкой катода ионами, образованными на аноде, поскольку время пролета ими межэлектродного промежутка больше длительности импульсов напряжения. Путем использования двух близко расположенных эмиттеров, плотности тока которых различаются в два раза, продемонстрировано, что бомбардировка ионами остаточного газа и ионами, образовавшимися при разрушении одного из эмиттеров, не сопровождается возникновением пробоя между анодом и другим эмиттером, который при этом не изменяет своих эмиссионных свойств. Таким образом, Дайк и его сотрудники установили, что причины возникновения пробоя в системе автоэмиттер−анод целиком зависят от процессов в самом эмиттере, причем определяющим фактором в данном случае оказывается плотность тока, однозначно связанная с напряженностью электрического поля.

Характер изменения тока в стадии перехода от АЭЭ к ВЭЭ представлен на рис. 12.1. Анализ осциллограмм позволил выделить четыре характерные фазы процесса. I − предпробойная (автоэмиссионная фаза) − достаточно хорошо исследована ранее в микросекундном диапазоне. II − фаза перехода − связана со взрывным разрушением эмиттера. В этой фазе ток резко возрастает в течение (1−5) 10-8 с со скоростью

76

di/dt = 5 107−108 А/с. Вслед за этим нарастанием тока обнаружена фаза III, в которой скорость роста тока на порядок меньше: 5 106−107 А/с. Продолжительность этой стадии колеблется в пределах 2 10-8−10-7 с. Далее следует фаза IV с несколько большей, чем в фазе III, скоростью роста тока. Таким образом экспериментально было показано, что взрыв острия происходит с некоторой задержкой от момента подачи импульса высокого напряжения (стадия I). Используя эмиттеры с различными радиусами вершины и изменяя амплитуду импульса напряжения, удалось найти связь между временем запаздывания взрыва острия tз и плотностью предвзрывного эмиссионного тока j. При вычислении плотности тока было принято, что площадь зоны эмиссии равна rэ2. Зависимость tз (j) представлена на рис 12.2. Видно, что все экспериментальные точки в двойном логарифмическом масштабе хорошо укладываются на одну прямую, а тангенс угла наклона равен двум. Отсюда следует, что произведение квадрата плотности тока на время запаздывания до взрыва автоэмиттера в большом диапазоне времени tз (примерно восемь порядков величины) и плотности тока j (около трех порядков) остается величиной приблизительно постоянной.

Из графика находим, что j2tз = 4 109 А2 с/см4. На рис. 12.2 приведена также зависимость времени запаздывания tз от напряженности поля на вершине эмиттера Е0 для тех же экспериментальных точек. С увеличением напряженности поля Е0 от 7 107 до 1.3 108 В/см критическая плотность тока увеличивается от 4.5 107 до 2.2 109 А/см2, что, в свою очередь, ведет к уменьшению времени запаздывания от 4 10-6 до 1 10-9 с. Уменьшение напряженности поля E0 всего лишь от 7 107 до 6.5 107 В/см приводит к росту tз от 4 10-6 до 10-1 с. Таким образом, экспериментальные результаты указывают на чрезвычайно сильную зависимость времени запаздывания до взрыва острия от напряженности поля на его вершине.

Рис. 12.1. Характер изменения тока в стадии перехода от АЭЭ (I) к ВЭЭ (II–IV) (а). Осциллограммы коллекторного тока при взрыве автоэмиттера без перенапряжения (б–г) и с перенапряжением (д)

77